Noticia Nº25: La Reacción de Belousov-Zhabotinsky

Noticia Nº25: La Reacción de Belousov-Zhabotinsky

Boris Pavlovich Belousov (1893-1970). 

Los años 1950 fueron interesantes para la Química, pues durante esa década se descubrieron tres procesos químicos que tuvieron una gran importancia tanto en el desarrollo de la Química como en el nacimiento de las nuevas Ciencias de la Astrobiología o la Química de Sistemas y en nuestra perspectiva del Origen de la Vida: hablo del Experimento de Miller (1953), la síntesis de adenina de Oró (1958) y la reacción de Belousov-Zhabotinsky (1951). Las dos primeras no eran reacciones completamente originales, sino que ya había varios antecedentes. Sin embargo, la reacción de Belousov era completamente original y totalmente inesperada para el mundo de la Química. Tan inesperada que, viniendo además de mas allá del telón de acero, necesitó 20 años para ser aceptada.

La reacción de Belousov pertence a un grupo de reacciones llamadas oscilantes y es una gran desconocida por estudiantes de Química. Quizá es debido a que es una reacción situada “lejos del equilibrio” y no puede explicarse ni como reacción irreversible ni mediante las reglas del equilibrio químico, por lo que resulta un tema demasiado complejo. Pero ésta reacción resultó ser fundamental para acceder a un nuevo enfoque de la Vida e, impulsada por el trabajo del físico Ilya Prigogine (premio Nobel en 1979), fué uno de los gérmenes del estudio científico de la complejidad y su origen. La Química de Sistemas, la Termodinámica Lejos del Equilibrio, la Dinámica No Lineal, la Evolución Química, y el estudio del  Origen de la Vida y de los procesos de autoorganización tienen en la reacción de Belousov uno de sus elementos inspiradores. Las ramificaciones derivadas de ésta reacción se extienden a campos tan dispares como la Bioquímica y la Meteorología y la Informática. En el estudio de sus misterios, aún no resueltos del todo, ha tenido gran importancia el desarrollo de simulaciones con ordenadores. Pero, tuvieron que pasar décadas hasta que la reacción de Belousov adquiriera la importancia que le reconocemos ahora. En sus orígenes chocó contra la inercia intelectual de los científicos y su sistema de publicaciones. Recorramos brevemente su historia.

La reacción de Belousov-Zhabotinsky: historia de una decepción

Boris Belousov murió en 1970 siendo un  químico poco conocido en la URSS y desconocido en el exterior. Tuvo que pasar mucho tiempo para que comenzara a reconocerse su trabajo, con la concesión póstuma del Permio Lenin en 1980. Y ello fué porque la semilla que plantó Belousov había germinado gracias a que un joven bioquímico, Anatol Zhabotinsky, recién graduado en la Universidad de Moscú a principios de los años 60, rescató la reacción de Belousov del olvido para su tesis, en una labor de arqueología de publicaciones (recordemos que en aquella época todo estaba en papel. Si ahora es difícil recuperar un resumen de congreso de hace 10 años, en aquel tiempo debía ser tarea casi imposible). Anatol desarrolló la reacción, estudiándola con meticulosa profundidad. Desde ese momento, la reacción de Belousov ha sido objeto de un intenso estudio y ha sido un modelo para numerosas aplicaciones. Pero ésta reacción no fué una fuente de satisfacción para Belousov. 

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Boris Belousov en su estudio, fotografiado en los años 50, poco después de trabajar en su conocida reacción.

La pasión de Boris Belousov por la Química nació en su adolescencia, cuando trató de fabricar una bombra para atentar nada menos que contra el Zar de Rusia. Poco después, justo ántes de la revolución de 1917, Boris estudió Química en Zurich y, tras su vuelta a una URSS que iniciaba su andadura, continuó sus estudios allí. Después de la Segunda Guerra Mundial, Belousov era profesor de Química y director del Laboratorio de Biofísica del Ministerio de Salud de la URSS. A Belousov le interesaba sobremanera la Bioquímica y, en particular el Ciclo de Krebs. El ciclo de Krebs es un sistema de reacciones químicas en el que el acetato se oxida a dióxido de carbono, impulsando toda la maquinaria bioquímica y manteniendonos vivos. Pero, en algunas bacterias, tambien puede funcionar al revés, transformando el dióxido de carbono en acetato. Ocupa una posición central en la Bioquímica de todos los seres vivos y posiblemente jugara un papel en el Origen de la Vida. El ciclo de Krebs había sido descrito en parte por Albert Scent-Györgyi y completado por Hans Krebs entre 1930 y 1937.

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Una forma muy simple de expresar el ciclo de Krebs inverso o ciclo de Arnon, que llevan a cabo algunas bacterias: el CO2 se fija en forma de acetato, gracias a un sistema de reacciones.

 

Para entender mejor las peculiares características del ciclo de Krebs, Belousov trató de encontrar una “maqueta” in vitro. Utilizando ácidos del ciclo de Krebs, como el cítrico y málico, y en general cualquier ácido dicarboxílico (la reacción va particularmente bien con ácido malónico), Belousov observó algo fascinante: cuando se oxida en un tubo de ensayo el ácido orgánico con bromato, un oxidante fuerte, utilizando una sal de cerio como catalizador , la reacción cambia alternativamente de incoloro a amarillo en intervalos regulares, creando una oscilación cuya gráfica es exactamente igual a la de un oscilador mecánico, como un muelle o un péndulo. Cuando a, a sugerencia de su colega Safronov, en lugar de cerio añadió unas gotas de ferroína (complejo hierro-fenantrolina) como iniciador e indicador del estado oxidativo de la reacción, el color cambiaba de azul a rojo y vuelta a azul con asombrosa periodicidad de unos segundos, mientras se producían burbujas de dióxido de carbono. La reacción global, si se hace con ácido malónico, es:

belousov global

Esta oscilación llevó a una nueva sorpresa: si la reacción se llevaba a cabo en un medio sin agitar o en una placa de Petri en forma de una fina capa, se producía un bonito patrón de bandas: la reacción estaba produciendo espontáneamente un sistema no homogéneo en un medio que previamente era homogéneo y parecía violar el Segundo Principio de la Termodinámica.

reaccion belousov

En la imagen se observa el patrón de bandas que se produce durante la reacción. Antes de comenzar, con la disolución bien agitada, todos los puntos del espacio en la disolución tienen la misma composición. Pero, al progresar la reacción, las especies químicas presentes en la disolución dependen del lugar: se ha roto la simetría. Desde el inicio, la reacción “evoluciona” produciendo un desequilibrio cada vez mas acusado, hasta que finalmente consume su “combustible” y la reacción “muere”, quedando de color azul (forma oxidada) y llena de burbujas de dióxido de carbono. ¡Pareciera que tuvieramos una maqueta de un proceso vivo!. La idea no podía ser mas sorprendente: de modo aparentemente espontáneo, un líquido homogéneo deja de serlo, estructurándose de modo cooperativo en zonas con diferente composición.

Belousov estudió exhaustivamente la reacción: periodicidad, formación de patrones de bandas, propuso un esbozo de su mecanismo (que tardaría décadas en resolverse) y envió sus resultados y los detalles de su receta, para ser publicados en una importante revista científica en 1951. Los revisores recomendaron contra su publicación y el editor respondió a Belousov que su “supuesto descubrimiento” era “imposible”. Seguramente, la idea de que en un líquido homogéneo surgieran estructuras de composición química diferenciada, violando en apariencia el Segundo Principio de la Termodinámica, pesaba mas que el repetir la simple receta de la reacción y verlo con sus propios ojos. El editor dijo a Belousov que tenía que aportar mas pruebas. Boris entonces volvió al laboratorio y tras otros seis años de trabajo (la Ciencia requiere tiempo…), envió un nuevo artículo, mas elaborado y con un estudio mas profundo del mecanismo. La respuesta que recibió fué de rechazo y un escepticismo aún mayor. Ni los revisores ni los editores se molestaron en repetir por ellos mismos una reacción extremadamente sencilla de reproducir. Simplemente se dejaron llevar por sus prejuicios. Belousov, que ya tenía 64 años, estaba tan enfurecido y decepcionado que decidió no volver a publicar ningún artículo jamás ni relacionarse con otros científicos. Publicó su receta de la reacción en un simposium, quedando solo un oscuro resumen en ruso.

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Esto es todo lo que se necesita para llevar a cabo la reacción de Belousov. Como suele ocurrir en Ciencia, a veces las ideas mas revolucionarias vienen de los experimentos mas sencillos.

Cuando Zhabotinsky tomó el testigo, la receta de la reacción de Belousov era conocida en diversos centros en la URSS, aunque se desconocía su autor y origen. Zhabotinsky comenzó, como tema de tesis, a estudiar esa curiosa reacción que circulaba por ahí. En los años 60, ya había realizado un extenso estudio y había descubierto al autor de la reacción original: Boris Belousov. Informó a éste de su trabajo y progresos y Boris le remitió, muy agradecido por recuperar su vieja receta, su manuscrito rechazado original y otro material. Cuando la reacción empezó a ser conocida fuera de la URSS, a finales de los 60 y principios de los 70, aún era conocida como la “reacción de Zhabotinsky”, aunque por el esfuerzo de éste, el crédito para Belousov fué finalmente reconocido. Zhabotinsky mantenía informado de sus progresos a Belousov, pero éste siempre rechazó un encuentro personal, así como asistir al simposio sobre reacciones oscilantes que se había organizado en Praga en 1968. Así, Zhabotinsky y Belousov nunca se conocieron personalmente. Belousov murió en 1970, sin llegar a conocer las implicaciones que tendría su trabajo ni disfrutar del reconocimiento que actualmente se le brinda.

Implicaciones

La reacción de Belousov, que globalmente es

Acido orgánico + bromato —–> bromuro + dióxido de carbono

utilizando Ce (IV) o ferroína como indicador y catalizador, puede parecer simple. No es un equilibrio. Ni una reacción irreversible. En realidad, cuando los reactivos se mezclan en la proporción adecuada, y tal como descubrió Belousov para su sorpresa, se establece un sistema de reacciones. De momento se han identificado mas de 40 reacciones químicas diferentes que tienen lugar, de modo coordinado, durante el proceso. La reacción requiere bromuro, uno de los productos finales para iniciarse. Podríamos expresar la reacción de éste modo:

autocatalisis

Este tipo de reacción, en la que uno de los reactivos es a su vez un producto o en la que el producto es un catalizador, podríamos expresarla de modo general como:

A+X –> B + 2X

En el caso de la reacción de Belousov la reacción clave, integrada en una red con otras 17 reacciones identificadas, es:

cerio(III) + bromato + ácido bromoso –> cerio (IV) + 2 ácido bromoso

Este tipo de reacción se denomina autocatalítica. Seguramente a muchos os sorprenda la importancia de ésto, pues la vida se sostiene sobre la autocatálisis química. La Bioquímica tiene varios ejemplos de reacciones autocatalíticas que tienen un comportamiento oscilante similar a la reacción de Belousov: la glucólisis y el ciclo de Krebs inverso o ciclo de Arnon, que es posible que fuera uno de los primeros ciclos de fijación de CO2 en la bioquímica terrestre. De hecho, toda vida se sustenta por tres sistemas autocatalíticos que podemos representar de ésta forma:

autocatalisis3

El primero es el sistema metabólico, el segundo el sistema genético y el tercero el sistema de celularización o generación de membranas. Entender como arrancaron estos sistemas autocatalíticos y como se integraron es la tarea del estudio de la Evolución Química y del estudio del Origen de la Vida. ¿y por qué? Porque la reacción de Belousov y otros sistemas nos muestran que de un sistema complejo, con un principio autocatalítico, pueden surgir nuevas propiedades, llamadas propiedades emergentes. En el caso de la reacción de Belousov, la ruptura de la homogeneidad en la disolución, que lleva a un proceso de auto-organización es una propiedad emergente, que surge ligada al sistema y desaparece al cesar las reacciones. Igual que, cuando cesan las reacciones autocatalíticas en la bioquímica, sobreviene la muerte.

La reacción de Belousov no puede llamarse “vida”, pero contiene algunos de sus atributos. Uno de éstos atributos es la morfogénesis: las estructuras celulares y, posteriormente, las estructuras de los organismos, son una consecuencia o propiedad emergente de un sistema complejo de reacciones químicas. Pero hay cosas mas inquietantes: Si la vida es una propiedad emergente de un sistema, esta idea tiene profundas implicaciones en los conceptos de vida artificial e inteligencia artificial, dado que la inteligencia se considera una propiedad emergente de un sistema complejo y organizado de células…. Y todavía en terrenos mas peligrosos, las propiedades de sistemas dinámicos lejos del equilibrio podría llevar a ver el tiempo como algo ilusorio… pero mejor dejar éstas cosas para otras ocasiones.

¿puedo repetir la reacción?

Si, es extremadamente simple. tan sólo hacen falta unos pocos reactivos. Si tienes interés en hacer la reacción en tu laboratorio o en tu casa, escribeme y te paso la receta. También inventamos un kit para llevar la reacción a charlas y ferias de la Ciencia. Igual alguien está interesado en desarrollar la idea.

Si quieres saber mas:

– Lafayette, W., Zhahotinsky, M., Krinsky, I., & Safronov, P. (1984). The Prehistory of the Belousov-Zhabotinsky Oscillator, J. Chem. Ed. 61(8), 661–663.

– Shanks, N.(2001). Modeling biological systems: the Belousov–Zhabotinsky reaction, Foundations of Chemistry 3: 33–53.

– Menor-Salván C. (2013). La química del origen de la vida. An. Quím, 109, 121–129.

Esta entrada participa en la XLVII Edición del Carnaval de Química, cuyo blog anfitrión es::ZTFNews.

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